Reaksi Redoks, Model Soal Terstruktur dan Pembahasannya

Beriktu soal terstruktur dan pembahasannya pokok bahasan reaksi redoks. Soal-soal ini meliputi bilangan oksidasi, pemahaman reduksi-oksidasi, reduktor-oksidator, serta tata nama senyawa yang terlibat dalam reaksi redoks yang diberikan.

Soal #1

Dalam produksi industri asam sulfat, perubahan berikut terjadi pada sulfur.

$$S \xrightarrow{tahap~1} H_2S \xrightarrow{tahap~2} SO_2 \xrightarrow{tahap~3} SO_3 \xrightarrow{tahap~4} H_2SO_4$$

1. Berikan bilangan oksidasi atom sulfur dalam setiap molekul.

2. Untuk setiap tahap, nyatakan apakah oksidasi atau reduksi yang telah terjadi. Dalam setiap kasus jelaskan jawaban Anda.

3. Berikan nama sistematis lengkap untuk SO₂.

4. Asam sulfat, H₂SO₄, bereaksi dengan fosfor merah.

   P₄ + 10H₂SO₄ → 4H₃PO₄ + 10SO₂ + 4H₂O

   Dengan mengacu pada perubahan bilangan oksidasi, jelaskan mengapa ini merupakan reaksi redoks.

5. Jelaskan mengapa asam sulfat dapat digambarkan sebagai oksidator dalam reaksi ini.

Pembahasan Soal #1

1. Bilangan oksidasi atom sulfur dalam setiap molekul adalah sebagai berikut:

   • S: 0
   • H₂S: -2
   • SO₂: +4
   • SO₃: +6
   • H₂SO₄: +6

   Penjelasan:
   Bilangan oksidasi dihitung berdasarkan aturan standar, di mana hidrogen biasanya +1, oksigen -2, dan unsur bebas 0.
   
   Untuk senyawa, total bilangan oksidasi harus sama dengan muatan netral (0).
   
   

2. Untuk setiap tahap, penentuan apakah oksidasi atau reduksi beserta penjelasan:

   • Tahap 1 (S → H₂S):
     Reduksi, karena bilangan oksidasi sulfur turun dari 0 menjadi -2 (penurunan bilangan oksidasi menunjukkan penambahan elektron).
     
     
   • Tahap 2 (H₂S → SO₂):
     Oksidasi, karena bilangan oksidasi sulfur naik dari -2 menjadi +4 (kenaikan bilangan oksidasi menunjukkan kehilangan elektron).
     
     
   • Tahap 3 (SO₂ → SO₃):
     Oksidasi, karena bilangan oksidasi sulfur naik dari +4 menjadi +6 (kenaikan bilangan oksidasi menunjukkan kehilangan elektron).
     
     
   • Tahap 4 (SO₃ → H₂SO₄):
     Bukan oksidasi maupun reduksi, karena bilangan oksidasi sulfur tetap +6 (tidak ada perubahan bilangan oksidasi; ini lebih merupakan reaksi adisi air).
     
     

3. Nama sistematis lengkap untuk SO₂ adalah sulfur(IV) oksida atau lebih umum dikenal sebagai sulfur dioksida.
   
   

4. Reaksi:
   P₄ + 10H₂SO₄ → 4H₃PO₄ + 10SO₂ + 4H₂O

   Ini merupakan reaksi redoks karena terdapat perubahan bilangan oksidasi:

   • Bilangan oksidasi fosfor (P) naik dari 0 (dalam P₄) menjadi +5 (dalam H₃PO₄), yang menunjukkan oksidasi.
     
     
   • Bilangan oksidasi sulfur (S) turun dari +6 (dalam H₂SO₄) menjadi +4 (dalam SO₂), yang menunjukkan reduksi.

   Adanya oksidasi dan reduksi secara simultan menandakan reaksi redoks.
   
   

5. Asam sulfat (H₂SO₄) dapat digambarkan sebagai oksidator dalam reaksi ini karena atom sulfur di dalamnya mengalami reduksi (bilangan oksidasi turun dari +6 menjadi +4), yang berarti H₂SO₄ menerima elektron dari fosfor merah, sehingga mengoksidasi fosfor dari 0 menjadi +5.
   
   

Soal #2

Strontium bereaksi dengan air dingin membentuk strontium hidroksida, Sr(OH)₂, dan hidrogen, H₂.

1. Sebutkan bilangan oksidasi strontium dalam:

   1. logam strontium

   2. strontium hidroksida

2. Sebutkan bilangan oksidasi hidrogen dalam:

   1. air

   2. gas hidrogen

3. Tuliskan dua setengah reaksi untuk reaksi antara air dan strontium hidroksida untuk menunjukkan:

   1. perubahan dari strontium menjadi ion strontium

   2. perubahan dari air menjadi ion hidroksida dan hidrogen

4. Dalam setengah reaksi mana pada bagian c yang terjadi reduksi? Berikan alasan untuk jawaban Anda.

5. Tuliskan persamaan setara untuk reaksi strontium dengan air.

6. Jelaskan peran yang dimainkan oleh air dalam reaksi ini.

Pembahasan Soal #2

1. Bilangan oksidasi strontium dalam:

   1. Logam strontium:
      0 (karena merupakan unsur bebas).
      
      

   2. Strontium hidroksida (Sr(OH)₂):
      +2 (berdasarkan aturan bilangan oksidasi, O = -2, H = +1, sehingga Sr harus +2 untuk menetralkan muatan).
      
      

2. Bilangan oksidasi hidrogen dalam:

   1. Air (H₂O): +1 (H biasanya +1 dalam senyawa dengan non-logam).

   2. Gas hidrogen (H₂): 0 (unsur bebas).
      
      

3. Dua setengah reaksi untuk reaksi antara strontium dan air:

   1. Perubahan dari strontium menjadi ion strontium:
      Sr → Sr²⁺ + 2e^-

   2. Perubahan dari air menjadi ion hidroksida dan hidrogen:
      2H₂O + 2e^- → 2OH^- + H₂
      
      

4. Setengah reaksi yang terjadi reduksi adalah setengah reaksi (ii), yaitu 2H₂O + 2e^- → 2OH^- + H₂. Alasan:
   Dalam reaksi ini, air menerima elektron, sehingga bilangan oksidasi hidrogen turun dari +1 (dalam H₂O) menjadi 0 (dalam H₂), yang menandakan reduksi.
   
   

5. Persamaan setara untuk reaksi strontium dengan air:
   Sr + 2H₂O → Sr(OH)₂ + H₂
   
   

6. Air berperan sebagai oksidator dalam reaksi ini karena air mengoksidasi strontium dari bilangan oksidasi 0 menjadi +2 dengan menerima elektron dari strontium, sekaligus air direduksi menghasilkan hidrogen dan ion hidroksida.
   
   

Soal #3

Persamaan tidak setara untuk reaksi sulfur dioksida dengan klorin ditunjukkan di bawah ini.

SO₂ + Cl₂ + H₂O → SO₄^2- + Cl^- + H⁺

1. Sebutkan bilangan oksidasi sulfur dalam:

   1. SO₂

   2. SO₄^2-

2. Sebutkan bilangan oksidasi klorin dalam:

   1. Cl₂

   2. Cl^-

3. Identifikasi reduktor dalam reaksi ini. Berikan alasan untuk jawaban Anda.

4. Sebutkan perubahan bilangan oksidasi untuk:

   1. setiap atom S

   2. setiap atom klorin

5. Susun persamaan setara untuk reaksi ini.

Pembahasan Soal #3

1. Bilangan oksidasi sulfur dalam:

   1. SO₂: +4

   2. SO₄^2-: +6

2. Bilangan oksidasi klorin dalam:

   1. Cl₂: 0

   2. Cl^-: -1

3. Reduktor dalam reaksi ini adalah SO₂ (sulfur dioksida), karena atom sulfur di dalamnya mengalami oksidasi (kenaikan bilangan oksidasi dari +4 menjadi +6), sehingga SO₂ kehilangan elektron dan mereduksi zat lain (Cl₂).
   
   

4. Perubahan bilangan oksidasi untuk:

   1. Setiap atom S: dari +4 menjadi +6 (kenaikan 2)
      
      

   2. Setiap atom klorin: dari 0 menjadi -1 (penurunan 1)
      
      

5. Persamaan setara untuk reaksi ini:
   SO₂ + Cl₂ + 2H₂O → SO₄^2- + 2Cl^- + 4H⁺
   
   

Soal #4

Aluminium bereaksi dengan asam klorida membentuk aluminium klorida, AlCl₃, dan hidrogen. Ini adalah reaksi redoks.

1. Jelaskan dalam hal elektron, apa yang dimaksud dengan reaksi redoks.

2. 1. Tuliskan setengah reaksi untuk menunjukkan aluminium berubah menjadi ion aluminium.

   2. Tuliskan setengah reaksi kedua untuk menunjukkan apa yang terjadi pada ion hidrogen dari asam.

   3. Berapakah perubahan bilangan oksidasi ketika ion hidrogen berubah menjadi atom hidrogen?

3. Susun persamaan ionik setara untuk reaksi antara atom aluminium dan ion hidrogen.
   
   

Pembahasan Soal #4

1. Reaksi redoks adalah reaksi kimia yang melibatkan transfer elektron antara dua spesies, di mana satu spesies mengalami oksidasi (kehilangan elektron) dan spesies lainnya mengalami reduksi (menerima elektron).
   
   

2. 1. Setengah reaksi untuk aluminium berubah menjadi ion aluminium:
      Al → Al³⁺ + 3e^-
      
      

   2. Setengah reaksi untuk ion hidrogen dari asam:
      2H⁺ + 2e^- → H₂
      
      

   3. Perubahan bilangan oksidasi ion hidrogen: dari +1 (dalam H⁺) menjadi 0 (dalam H₂), sehingga perubahan bilangan oksidasi adalah penurunan sebesar 1 per atom hidrogen.
      
      

3. Persamaan ionik setara untuk reaksi antara atom aluminium dan ion hidrogen:
   2Al + 6H⁺ → 2Al³⁺ + 3H₂
   
   

Soal #5

Bromin, Br₂, bereaksi dengan ion tiosulfat, S₂O₃^2- membentuk ion bromida, Br^-, dan ion tetrationat, S₄O₆^2-.

Br₂ + 2S₂O₃^2- → 2Br^- + S₄O₆^2-

1. Sebutkan bilangan oksidasi setiap atom sulfur dalam:

   1. ion S₂O₃^2-

   2. ion S₄O₆^2-

2. Jelaskan dalam hal transfer elektron mengapa konversi bromin menjadi ion bromida merupakan reaksi reduksi.

3. Ketika garam yang mengandung ion bromida dipanaskan dengan asam sulfat pekat dan MnO₂, bromin dilepaskan.

   2Br^- + MnO₂ + 6H⁺ + 2SO₄^2- → Br₂ + Mn²⁺ + 2HSO₄^- + 2H₂O

   1. Sebutkan nama sistematis untuk MnO₂.

   2. Berapakah bilangan oksidasi S dalam ion SO₄^2-?

   3. Reaktan mana yang teroksidasi dalam reaksi ini? Jelaskan jawaban Anda dengan menggunakan bilangan oksidasi.

   4. Zat manakah yang merupakan oksidator? Jelaskan jawaban Anda.
      
      

Pembahasan Soal #5

1. Bilangan oksidasi setiap atom sulfur dalam:
   
   

   1. Ion S₂O₃^2-: +2 (dihitung dengan asumsi O = -2, sehingga 2S + 3(-2) = -2, maka 2S = +4, jadi S = +2 per atom).
      
      

   2. Ion S₄O₆^2-: +2.5 rata-rata (dihitung dengan 4S + 6(-2) = -2, maka 4S = +10, jadi S = +2.5 per atom; namun, secara struktural, dua sulfur memiliki bilangan oksidasi +5 dan dua lainnya -1).

   
   
   

2. Konversi bromin (Br₂) menjadi ion bromida (Br^-) merupakan reaksi reduksi karena setiap atom bromin menerima satu elektron, sehingga bilangan oksidasinya turun dari 0 (dalam Br₂) menjadi -1 (dalam Br^-).
   
   Transfer elektron ini menunjukkan adanya penambahan elektron, yang merupakan karakteristik reduksi.
   
   

3. Reaksi: 2Br^- + MnO₂ + 6H⁺ + 2SO₄^2- → Br₂ + Mn²⁺ + 2HSO₄^- + 2H₂O

   1. Nama sistematis untuk MnO₂ adalah mangan(IV) oksida.
      
      

   2. Bilangan oksidasi S dalam ion SO₄^2- adalah +6 (dihitung dengan S + 4(-2) = -2, maka S = +6).
      
      

   3. Reaktan yang teroksidasi adalah Br^- (ion bromida), karena bilangan oksidasinya naik dari -1 (dalam Br^-) menjadi 0 (dalam Br₂), yang menunjukkan kehilangan elektron (oksidasi).
      
      

   4. Oksidator dalam reaksi ini adalah MnO₂, karena mangan dalam MnO₂ mengalami reduksi (bilangan oksidasi turun dari +4 menjadi +2 dalam Mn²⁺), yang berarti MnO₂ menerima elektron dari ion bromida, sehingga mengoksidasi Br^- menjadi Br₂.
      
      

Soal #6

Senyawa KClO₃ terurai ketika dipanaskan.

2KClO₃ → 2KCl + 3O₂

1. Sebutkan bilangan oksidasi klorin dalam:

   1. KClO₃

   2. KCl

2. Jelaskan menggunakan bilangan oksidasi mengapa reaksi ini merupakan reaksi redoks.

3. Sebutkan nama sistematis dari KClO₃.

4. Ketika KClO₃ bereaksi dengan hidrazin, N₂H₄, gas nitrogen dilepaskan.

   2KClO₃ + 3N₂H₄ → 2KCl + 3N₂ + 6H₂O

   1. Berapakah perubahan bilangan oksidasi atom klorin ketika KClO₃ diubah menjadi KCl?

   2. Berapakah perubahan bilangan oksidasi untuk setiap atom nitrogen ketika N₂H₄ diubah menjadi N₂?

   3. Gunakan jawaban Anda dari bagian i dan ii untuk menjelaskan mengapa 2 mol KClO₃ bereaksi dengan 3 mol N₂H₄.

Pembahasan Soal #6

1. Bilangan oksidasi klorin dalam:

   1. KClO₃: +5 (dihitung dengan K = +1, O = -2, sehingga +1 + Cl + 3(-2) = 0, maka Cl = +5).
      
      

   2. KCl: -1 (dihitung dengan K = +1, sehingga Cl = -1 untuk menetralkan muatan).
      
      

2. Reaksi ini merupakan reaksi redoks karena terdapat perubahan bilangan oksidasi:
   
   klorin dalam KClO₃ mengalami reduksi dari +5 menjadi -1 (penurunan bilangan oksidasi, menunjukkan penerimaan elektron), sedangkan oksigen dalam KClO₃ mengalami oksidasi dari -2 menjadi 0 dalam O₂ (kenaikan bilangan oksidasi, menunjukkan kehilangan elektron).
   
   Adanya oksidasi dan reduksi secara simultan menandakan reaksi redoks.
   
   

3. Nama sistematis dari KClO₃ adalah kalium klorat.
   
   

4. Reaksi: 2KClO₃ + 3N₂H₄ → 2KCl + 3N₂ + 6H₂O

   1. Perubahan bilangan oksidasi atom klorin ketika KClO₃ diubah menjadi KCl:
      
      dari +5 menjadi -1, sehingga perubahan bilangan oksidasi adalah penurunan sebesar 6 per atom klorin.
      
      

   2. Perubahan bilangan oksidasi untuk setiap atom nitrogen ketika N₂H₄ diubah menjadi N₂:
      
      dalam N₂H₄, bilangan oksidasi nitrogen adalah -2 (dihitung dengan 2N + 4(+1) = 0, maka 2N = -4, N = -2); dalam N₂, bilangan oksidasi nitrogen adalah 0.
      
      Jadi, perubahan bilangan oksidasi adalah kenaikan sebesar 2 per atom nitrogen.
      
      

   3. Penjelasan mengapa 2 mol KClO₃ bereaksi dengan 3 mol N₂H₄:
      
      Setiap molekul KClO₃ mengandung 1 atom klorin yang mengalami penurunan bilangan oksidasi sebesar 6, sehingga untuk 2 mol KClO₃, total perubahan bilangan oksidasi adalah 2 × 6 = 12 elektron yang diterima.
      
      Di sisi lain, setiap molekul N₂H₄ mengandung 2 atom nitrogen, masing-masing mengalami kenaikan bilangan oksidasi sebesar 2, sehingga setiap N₂H₄ melepaskan 2 × 2 = 4 elektron.
      
      Untuk menyeimbangkan transfer elektron, diperlukan 3 mol N₂H₄ (3 × 4 = 12 elektron) untuk menyediakan elektron yang dibutuhkan oleh 2 mol KClO₃.
      
      Oleh karena itu, rasio 2:3 memastikan keseimbangan redoks.